用于聲吶系統(tǒng)一體化建設(shè)的信息技術(shù)探述*

孟士超 方毅偉 胡 波

(1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室 葫蘆島 125004)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

用于聲吶系統(tǒng)一體化建設(shè)的信息技術(shù)探述*

孟士超1方毅偉2胡 波2

(1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室 葫蘆島 125004)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是二十一世紀(jì)的一種新的作戰(zhàn)樣式,信息化成為我國新軍事變革的核心,“綜合集成”成為武器裝備信息化發(fā)展道路的一個重要方向。長期以來,不同聲吶之間無法實(shí)現(xiàn)信息互通,形成了“信息孤島”。在這樣的背景下,如何架起信息溝通的橋梁,實(shí)現(xiàn)高集成度和底層的數(shù)據(jù)融合,成為一體化過程中亟待解決的難題。從多傳感器陣的同步數(shù)據(jù)采集,傳感器陣到信號處理機(jī)的高速數(shù)據(jù)傳輸,信號處理機(jī)的集群計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面,闡述了實(shí)現(xiàn)聲吶一體化過程中存在的問題以及相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),提出了可行的解決思路,并對聲吶系統(tǒng)一體化的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

信息化; 數(shù)據(jù)融合; 時間同步; 集群計算

1 新軍事變革推進(jìn)裝備信息化的發(fā)展

中國特色軍事變革的核心是信息化,是以提高信息力為根本目的,以“系統(tǒng)集成”為主要途徑,建設(shè)以信息和知識為國防力量戰(zhàn)斗力核心構(gòu)成要素的,適于打信息化戰(zhàn)爭的信息化國防力量。國防信息化建設(shè)的實(shí)現(xiàn)途徑是“綜合集成”[1],首先要建成以軍事信息系統(tǒng)為龍頭的信息化武器裝備體系,然后實(shí)現(xiàn)預(yù)警探測、指揮控制、精確火力打擊的一體化,以及信息化軍隊和信息化后備力量的一體化,最終把整個國防力量建設(shè)成結(jié)構(gòu)和職能一體化的國防大系統(tǒng)。國防信息化的根本目的是提高國防力量的信息力和結(jié)構(gòu)力。信息力是信息技術(shù)大量應(yīng)用于軍事領(lǐng)域后,產(chǎn)生于信息獲取、傳輸、處理和使用的,對火力和機(jī)動力有調(diào)控作用的國防力量核心戰(zhàn)斗力。

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)[2]實(shí)質(zhì)上是一種戰(zhàn)爭形態(tài),是信息時代的基本戰(zhàn)爭形態(tài)。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是信息時代的主要戰(zhàn)爭形態(tài),實(shí)質(zhì)上就是“信息化戰(zhàn)爭”。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)作為信息時代的基本戰(zhàn)爭形態(tài),具有與傳統(tǒng)平臺中心戰(zhàn)不同的顯著特點(diǎn)。一是網(wǎng)絡(luò)具有倍增效應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)高度智能化的綜合網(wǎng)絡(luò)顯著的特征是具有無限的兼容整合性并產(chǎn)生倍增效應(yīng)。二是可以在多個作戰(zhàn)領(lǐng)域產(chǎn)生絕對信息優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)以獲取絕對的信息優(yōu)勢并轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢和競爭優(yōu)勢來提高戰(zhàn)斗力。三是全面控制能力。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)以絕對的信息優(yōu)勢使部隊掌握有效的情報、指揮和控制手段,表現(xiàn)在戰(zhàn)爭形態(tài)上,其作戰(zhàn)節(jié)奏快,戰(zhàn)爭持續(xù)時間短；戰(zhàn)爭毀傷小,附帶破壞將減少到最低程度；作戰(zhàn)行動在全維空問進(jìn)行,地理因素影響大大減弱；戰(zhàn)爭一體化程度高,無形作戰(zhàn)力量要素特別是信息起決定性作用；作戰(zhàn)保障高效及時。這些變化和優(yōu)勢,使聯(lián)合部隊成為掌握全部優(yōu)勢的部隊,從而實(shí)現(xiàn)制敵機(jī)動精確打擊、聚焦式后勤和全維防護(hù)的作戰(zhàn)能力。

2 聲吶系統(tǒng)的集成與信息融合

早期的聲吶設(shè)計建立在較為理想的模型基礎(chǔ)上,無論是聲吶設(shè)計者還是聲吶使用人員,早就注意到聲吶的性能與海洋環(huán)境密切相關(guān)[3,10]。但是,由于兩個方面的原因,使聲吶技術(shù)發(fā)展的初期采用了比較簡單的模型,第一個原因是人們對海洋中水聲傳播規(guī)律的研究和認(rèn)識有一個由淺入深、由表及里的過程,第二個原因是由于硬件條件方面的限制。20世紀(jì)50～60年代,信息論已經(jīng)為微弱信號的檢測提供了相當(dāng)充實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)用技術(shù),但是這些理論的應(yīng)用需要非常復(fù)雜的計算,而在那時硬件設(shè)備還無力提供這種支持。自20世紀(jì)70年代以來,情況已經(jīng)發(fā)生了很大的變化,微電子技術(shù)的發(fā)展使計算機(jī)硬件的面貌發(fā)生了巨大的改觀,從而推動了數(shù)字信號處理領(lǐng)域的變革。微電子工業(yè)的這種迅猛發(fā)展勢頭,使得數(shù)字式聲吶應(yīng)運(yùn)而生,并且使聲吶設(shè)計者面臨巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn),因?yàn)?作為數(shù)字式聲吶硬件支撐的DSP芯片,似乎“無所不能”,過去很多受計算機(jī)能力限制的技術(shù),現(xiàn)在都可以實(shí)現(xiàn)了。但是,很不幸,聲吶的性能不僅僅依賴于硬件的能力,更大程度上依賴于主導(dǎo)聲吶性能的建模技術(shù)、微弱信號檢測算法、參數(shù)估計理論、人工智能等。

由于聲吶系統(tǒng)的集成度越來越高,數(shù)據(jù)量越來越大,單靠聲吶員處理多平臺、多傳感器的信息就顯得很不夠,所以數(shù)據(jù)融合的技術(shù)自然而然地受到重視,目前,雖然還不能完全做到全自動判別,但至少為輔助決策提供了強(qiáng)有力的工具。

數(shù)據(jù)融合從所處理的信息層次來分,可以分為三級,即基元級、特征級和決策級,研究課題的級別越到底層就越復(fù)雜,現(xiàn)在大多數(shù)的研究工作還是圍繞決策級展開的。數(shù)據(jù)融合中的一個基本定理,保證了聲吶系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的必要性。這個定理是說,無論是獨(dú)立觀測資料還是相關(guān)觀測資料,最佳的線性數(shù)據(jù)融合所帶來的誤差不會大于任何個別觀測資料所帶來的誤差，基于這一事實(shí),解決聲吶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合問題就有了理論依據(jù),舉一個具體的例子,假定潛艇上有圓陣和舷側(cè)陣同時進(jìn)行目標(biāo)定位知道,圓陣的定向誤差基本上與信號入射方向無關(guān),而線陣則不同,在側(cè)射方向誤差較小,在端射方向誤差較大,把圓陣和線陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到了很好的測向方法,它的誤差不僅小于各自的定向誤差,并且在360°范圍內(nèi)基本均勻。

3 聲吶系統(tǒng)信息集成面臨的問題

在當(dāng)前情況下,聲吶系統(tǒng)的信息集成難以實(shí)現(xiàn),根源在于現(xiàn)有聲吶系統(tǒng)的軟、硬件資源無法滿足信息采集、傳輸和處理的要求。

1) 時鐘同步問題。在物理位置上距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備,如何做到同步的數(shù)據(jù)采集,這在沒有網(wǎng)絡(luò)的時代是難以實(shí)現(xiàn)的,并且同步精度也難以保證。分布于各陣的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備必須具備相同的時鐘源,才能夠保證各傳感器陣數(shù)據(jù)的時間有效性。時鐘同步分為兩個層次：傳感器層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層。在同一個陣中的所有傳感器陣元都必須同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,由于一體化方案中傳感器陣元采集模擬信號,A/D轉(zhuǎn)換是由前置預(yù)處理機(jī)完成,因此,傳感器采集數(shù)據(jù)的時鐘實(shí)質(zhì)上就是前置預(yù)處理機(jī)的時鐘,只要保證前置預(yù)處理機(jī)內(nèi)部多個AD轉(zhuǎn)換板之間能夠做到同步采樣轉(zhuǎn)換即可；傳輸網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的任務(wù)不僅局限于數(shù)據(jù)能夠由源送達(dá)目標(biāo),即傳感器陣到信號處理機(jī)以及信號處理機(jī)之間,更重要的是,要確保各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的時間有效性,各傳感器陣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要能夠?qū)⑼粫r刻采集的數(shù)據(jù)在同一時刻發(fā)送或者在數(shù)據(jù)包中加入時間戳作為標(biāo)記,這就需要所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備精準(zhǔn)的同步時鐘,采用同一個同步時鐘源并且做到高精度的同步。

2) 大容量數(shù)據(jù)傳輸問題。數(shù)據(jù)采集得到的大量數(shù)據(jù)如何快速地、完整地傳到信號處理端。(1)節(jié)點(diǎn)數(shù)目少。目前的一體化方案并非將傳感器陣元作為網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn),而是采用前置預(yù)處理機(jī)對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送,這樣,大大減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù),所以在沖突域內(nèi),出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞、數(shù)據(jù)碰撞的可能性也相應(yīng)下降；(2)不存在在線增加設(shè)備的情況。在一體化系統(tǒng)運(yùn)行以后,不存在在線添加設(shè)備的情況,如果添加新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(比如增加前端的傳感器陣),系統(tǒng)需要重新設(shè)置參數(shù)才啟動該設(shè)備,因此,交換機(jī)內(nèi)的地址映射表在很長時間內(nèi)是固定不變的,即節(jié)點(diǎn)的物理地址與交換機(jī)的端口之間的關(guān)系通常不會改變,這樣就不會出現(xiàn)因無法找到目標(biāo)地址而輪詢端口的情況,也減少了沖突的可能性；(3)節(jié)點(diǎn)分布的位置固定,并且物理距離較短。前置預(yù)處理機(jī)的空間分布情況基本固定,另外,從網(wǎng)絡(luò)實(shí)施角度來看,艦艇上的布線距離較短,因此,節(jié)點(diǎn)到交換機(jī)設(shè)備間的距離短,也就是說,載波監(jiān)聽的響應(yīng)時間短,當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)傳送時,在極短的時間內(nèi),本地端口就能收到網(wǎng)絡(luò)忙的信息并暫定一個隨機(jī)時間后,本地數(shù)據(jù)再進(jìn)行發(fā)送；(4)每個端口的數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定,帶寬分配固定。根據(jù)需求分析,每個傳感器陣的數(shù)據(jù)量固定,所以,每個前置預(yù)處理機(jī)的數(shù)據(jù)量也固定,其端口所占用帶寬也能夠確定。因此,在系統(tǒng)運(yùn)行之后,每個端口數(shù)據(jù)流量固定,帶寬分配也固定不變,不會出現(xiàn)因突發(fā)性的流量增大而造成網(wǎng)絡(luò)阻塞的情況。

3) 數(shù)據(jù)處理能力問題。多陣數(shù)據(jù)的融合處理,要求信號處理機(jī)有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,而單個信號處理機(jī)處理能力的提升依賴于處理器處理能力、整機(jī)架構(gòu)等計算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展,但基于現(xiàn)有信號處理機(jī),可采用集群組網(wǎng)方式,來實(shí)現(xiàn)分布式計算,提高整理的處理能力。信號處理機(jī)之間采用專用的高速總線連接。

4 網(wǎng)絡(luò)化提供了解決問題的途徑

隨著以太網(wǎng)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,目前,網(wǎng)絡(luò)時間同步已經(jīng)能夠達(dá)到微秒級,快速以太網(wǎng)的應(yīng)用成本已經(jīng)大大降低,網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的性能有了較大的提升,各種針對分布式計算的專用網(wǎng)絡(luò)也有著較多的提供商和應(yīng)用案例。

4.1 精確的網(wǎng)絡(luò)時間同步

1) NTP與SNTP

網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)[4～5]發(fā)表于1992年,它是由美國特拉華大學(xué)的David L.Mills教授在1985年首次提出。NTP以GPS時間代碼傳送的時間消息為參考標(biāo)準(zhǔn),采用Client/Serv·r結(jié)構(gòu)以適應(yīng)各種互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境,并且充分考慮了互聯(lián)網(wǎng)上時間同步的復(fù)雜性。采用的時間同步算法可以在各種規(guī)模、速度和連接通路的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供精確的參考時間值；提供持續(xù)跟蹤時間的變化機(jī)制,能夠自動進(jìn)行調(diào)節(jié),即使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障,也能維持時間的穩(wěn)定；具有良好的執(zhí)行效率,只需極小的網(wǎng)絡(luò)開銷；并提供了保證網(wǎng)絡(luò)安全的應(yīng)對措施。這些措施的采用使NTP可以在互聯(lián)網(wǎng)上獲取可靠和精確的時間同步,并使NTP成為互聯(lián)網(wǎng)上公認(rèn)的時間同步標(biāo)準(zhǔn)。NTP采用的時間最小分辨率為毫秒,在通常環(huán)境下,NTP服務(wù)器提供的時間精確度在1ms～50ms。NTP提供了一種同步時間機(jī)制,可以利用冗余服務(wù)器和多條網(wǎng)絡(luò)路徑來獲得時間的高準(zhǔn)確性和高可靠性能,在龐大而復(fù)雜多樣的互聯(lián)網(wǎng)中調(diào)整時間分配。它能自我組織操作、分層管理配置,經(jīng)過有線或無線方式同步子網(wǎng)內(nèi)的邏輯時鐘達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時間；規(guī)范了時鐘選擇和時鐘濾波的算法,而且還引入了時間消息發(fā)送的廣播模式；此外,通過本地路由選擇運(yùn)算法則及時間后臺程序,服務(wù)器可以重新分配標(biāo)準(zhǔn)時間。

簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(SNTP)發(fā)表于1996年,是NTP的一個改寫本,NTP適用于互連網(wǎng)上提供時鐘同步的服務(wù)器。當(dāng)不需要實(shí)現(xiàn)RFC1305所描述的NTP的全功能的情況下,可以使用SNTP。它能用于單播方式(點(diǎn)對點(diǎn))和廣播方式(點(diǎn)對多點(diǎn)),也能用于IP多播方式(可提供這種服務(wù)的地方)。SNTP與NTP版本并沒有大的不同。SNTP主要用來同步因特網(wǎng)中的計算機(jī)時鐘。SNTP 簡化了NTP服務(wù)器和NTP客戶端策略,未改變NTP規(guī)范和原有實(shí)現(xiàn)過程,支持以一種簡單、無狀態(tài)遠(yuǎn)程過程調(diào)用模式執(zhí)行精確而可靠的操作。RFC 1769強(qiáng)烈建議SNTP僅僅用在同步子網(wǎng)的末端,一般情況下不用于時間服務(wù)器校準(zhǔn)自身時間。

客戶端如何通過網(wǎng)絡(luò)傳輸獲得時問參考服務(wù)器提供的標(biāo)準(zhǔn)時間信息。NTP和SNTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)方面是完全相同的,因此下面的討論同時適用NTP和SNTP。NTP(SNTP)采用UDP協(xié)議,端口號設(shè)定為123。首先由客戶機(jī)發(fā)送一個請求數(shù)據(jù)包,請求數(shù)據(jù)包中包括了客戶機(jī)的當(dāng)前時間數(shù)據(jù)(稱作時間戳timestamp),服務(wù)器接收到后回送一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包,應(yīng)答數(shù)據(jù)包中包括了服務(wù)器提供的當(dāng)前世界協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)時間UTC。NTP根據(jù)這兩個數(shù)據(jù)包中的時間戳確定時間誤差,通過一系列算法來消除網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性的影響?？蛻舳税l(fā)送的查詢時間數(shù)據(jù)包與服務(wù)器返回的時間數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)格式是完全相同的,如圖1所示。

圖1 NTP時間數(shù)據(jù)報文格式

如何利用數(shù)據(jù)包中的時間戳(timestamp)確定時間誤差。時間戳的單位為秒,用64位表示,前面32位是整數(shù)部分,后面32位是小數(shù)部分,計數(shù)精度可以達(dá)到200ps。

從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕嵌葋砜?影響NTP(SNTP)協(xié)議精確度的主要原因在于由網(wǎng)絡(luò)延遲的隨機(jī)性而引起的時鐘延遲計算得不準(zhǔn)確。因?yàn)檠舆t的不確定性,所以無法依靠從時間服務(wù)器到客戶機(jī)的單邊傳輸來傳遞精確的時間信息。為了解決這個問題,在NTP協(xié)議中使用時間服務(wù)器和客戶機(jī)之間的雙向信息交換和時間戳的概念。圖2顯示了用這種方法確定延遲和偏移的基本原理。

圖2 延遲和偏移的確定原理

圖2中的C1為客戶端向服務(wù)器發(fā)送查詢標(biāo)準(zhǔn)時間數(shù)據(jù)包的客戶端時間,Sl為服務(wù)器接收到查詢數(shù)據(jù)包的時間,S2為服務(wù)器返回標(biāo)準(zhǔn)時間數(shù)據(jù)包的時間,C2為客戶端接收到返回數(shù)據(jù)包的客戶端時間。利用這四個時間戳,可以得到：

網(wǎng)絡(luò)傳輸總延時=(C2-C1)-(S2-S1)

客戶端時間補(bǔ)償值= ((S1-C1)

+(S2-C2))/2

這樣就利用C1、C2、S1、S2這四個時間戳獲得了客戶端時間補(bǔ)償值,從而實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)時問的同步。

2) IEEE1588

IEEE1588[6～7]精確時間同步技術(shù)作為一個標(biāo)準(zhǔn)。它第一次實(shí)現(xiàn)了不同末端設(shè)備之間基于網(wǎng)絡(luò)的高精度時間同步。同步精度小于1μs。本文主要介紹了這一協(xié)議的工作方式。如何使用和實(shí)現(xiàn)以及可以達(dá)到的同步精度。

以太網(wǎng)具有傳輸速度快和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),其“實(shí)時性”已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。實(shí)時性可分為硬實(shí)時和軟實(shí)時,在要求硬實(shí)時的應(yīng)用場合,通信系統(tǒng)必須保證傳輸?shù)拇_定性。這意味著一方面在特定的時間內(nèi)總是能交換所需要的數(shù)據(jù)量,另一方面要求具有在所有通信設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)精確時間同步的能力。目前只有少數(shù)的現(xiàn)場總線或其他專有的解決方案能夠達(dá)到循環(huán)時間小于1ms和時間抖動小于1μs的硬實(shí)時的要求。為了繼續(xù)推動以太網(wǎng)應(yīng)用到實(shí)時自動化系統(tǒng)的互聯(lián),需要采用一些特殊的措施以保證所需要的確定性。

IEEE1588精確時間協(xié)議(PTP)是新的IEEE標(biāo)準(zhǔn),是目前基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精確時間同步的一個綜合解決方案。這一協(xié)議最重要的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)微秒級甚至小于1μs的時間同步。IEEE1588協(xié)議適用于小的同質(zhì),異質(zhì)網(wǎng)絡(luò),它的設(shè)計者特別注意了較低的資源占用,從而可以使這一協(xié)議適用于低端和低成本的網(wǎng)絡(luò)。它只需要最小的網(wǎng)絡(luò)帶寬,無需特別的CPU性能要求。這一協(xié)議所需要的較少的管理工作也是很重要的。由于支持主時鐘冗余,PTP系統(tǒng)可以自動采用最優(yōu)的主時鐘同步算法實(shí)現(xiàn)設(shè)置,同時支持容錯功能。

IEEE1588精確時間同步技術(shù)是基于IP組播通信實(shí)現(xiàn)的,不只限于以太網(wǎng),它可以用在任何一個支持組播的總線系統(tǒng)中。根據(jù)同步過程中角色的不同,將網(wǎng)絡(luò)上分為兩類,主時鐘和從時鐘。提供同步時鐘源的叫主時鐘,而與之同步的時鐘稱為從時鐘,因此主時鐘和從時鐘是相對的,任何一個網(wǎng)絡(luò)時鐘都可以充當(dāng)主時鐘和從時鐘。每一個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文實(shí)現(xiàn)與主時鐘的時間同步。同步過程可以劃分為兩步：第一步是校正主時鐘和從時鐘之間的時差,即偏移值測量。在偏移值測量過程中,主時鐘以固定的時間間隔(默認(rèn)2s/次)周期性地發(fā)送同步報文(SYNC報文)到相聯(lián)的從時鐘。在發(fā)送同步報文時,主時鐘測量出準(zhǔn)確的發(fā)送時間(TM1)；從時鐘在接收到同步報文時測量出準(zhǔn)確的接收時間(TS1)。主時鐘在后續(xù)報文(Follow up報文)中包括了上述發(fā)送時間TM1。為了提高精度,在接收到同步報文和相應(yīng)的后續(xù)報文時,從時鐘計算出其相對于主時鐘的偏差,然后根據(jù)這個偏差校正從時鐘Ts。如果不考慮在傳輸路徑上實(shí)際會產(chǎn)生的延遲,這兩個時鐘就已經(jīng)同步了。

時鐘同步過程的第二步是延遲的測量,借此得到從時鐘和主時鐘之間的延遲或滯后。為了實(shí)現(xiàn)這個目的,從時鐘向主時鐘發(fā)送一個所謂的“延遲請求”報文,并測出該報文的準(zhǔn)確發(fā)送時間TM3。在收到該報文時,主時鐘測得接收時間TM3并將該時間封裝在“延遲響應(yīng)”報文中返回到從時鐘。從時鐘根據(jù)發(fā)送時間TS3和主時鐘返回的接收時間TM3計算出主時鐘和從時鐘之間的延遲。延遲的測量是非周期性的,而且時間間隔比較大(默認(rèn)為4s～60s),這樣可以避免網(wǎng)絡(luò)過載。通過上述同步過程,在PTP設(shè)備間,尤其是協(xié)議棧之間的時間波動以及主時鐘和從時鐘之間的延遲被消除了。但是,對延遲測量精度來說主時鐘和從時鐘之間的對稱延遲,即發(fā)送和接收的延遲相同,是至關(guān)重要的。

4.2 高速的交換式網(wǎng)絡(luò)

為解決大容量的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換問題,需要采用高帶寬的交換式網(wǎng)絡(luò),目前,千兆以太網(wǎng)以其高帶寬、可用性強(qiáng)、低成本等優(yōu)勢成為組網(wǎng)的首選技術(shù)。

千兆以太網(wǎng)的研究始于1995年。1998年6月IEEE正式通過千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.3Z,并于同年9月公布了另一個標(biāo)準(zhǔn)802.3ab。從網(wǎng)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)上看,千兆位以太網(wǎng)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)大體相同。千兆位以太網(wǎng)(GigabitEthernet)只定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層。物理層是千兆位以太網(wǎng)的關(guān)鍵組成,在IEEE802.3Z中定義了三種傳輸介質(zhì)：多模光纖、單模光纖、同軸電纜。IEEE802.3ab則定義了非屏蔽雙絞線介質(zhì)。千兆位以太網(wǎng)物理層的另外一個特點(diǎn)就是采用8B/10B編碼方式,這與光纖通道技(FiberChannel)相同,由此帶來的好處是,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商可以采用已有的8B/10B編碼/解碼芯片,這無疑會縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,并且降低成本。千兆以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)定千兆位以太網(wǎng)支持新的全雙工操作模式及半雙工操作模式,其中全雙工模式在點(diǎn)對點(diǎn)交換鏈路中可以提供更寬的帶寬,其傳輸介質(zhì)主要為單模光纖、多模光纖及無屏蔽雙絞線或同軸電纜。千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)采用的全雙工傳輸模式指的是在一對線上可以同時用于發(fā)送和接收信息,因此無需采用CSMA/CD機(jī)制。各工作站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在不同的線對進(jìn)行,傳輸之前不需等待,因而沒有了沖突的發(fā)生。如采用半雙工傳輸模式,則需采用CSMA/CD技術(shù)。由于其標(biāo)準(zhǔn)使用了低廉的光纖,使得其布線系統(tǒng)的造價比ATM的布線系統(tǒng)大大降低。

千兆位以太網(wǎng)在鏈路層遵循了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式。由于采用了與以太網(wǎng)同樣的幀格式,數(shù)據(jù)包尺寸、結(jié)構(gòu)和協(xié)議基本相同；千兆以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)幀類型上具有良好的向后兼容性。千兆網(wǎng)全面兼容Ethernet和Fast Ethernet,從Ethernet和Fast Ethernet升級到千兆以太網(wǎng)無需協(xié)議轉(zhuǎn)換,它意味著千兆以太網(wǎng)可以“無縫”融入現(xiàn)存的以太網(wǎng)和快速以太網(wǎng)之中。

4.3 集群計算

信息處理[8]主要包括多傳感器信息融合和目標(biāo)綜合識別、信息管理和存儲等。信息處理一般有兩方面的需求： 1) 處理容量和處理實(shí)時性需求。C41SR系統(tǒng)信息來源于多傳感器,信息類型復(fù)雜,戰(zhàn)場態(tài)勢生成對信息處理實(shí)時性要求高,常見處理需求在1000批目標(biāo)/秒以上,如法國戴高樂航母SENIT8作戰(zhàn)管理系統(tǒng)處理能力為2000條航跡,法國出口型艦載指揮控制系統(tǒng)TAVTAC2000也可實(shí)時處理000批目標(biāo)信息。 2) 信息處理的高可靠性。需要保持輸出信息的連續(xù)性,信息處理分系統(tǒng)可靠性一般需要達(dá)到99.99%,否則將影響信息處理質(zhì)量。在提高信息系統(tǒng)處理實(shí)時性和處理容量方面,增加計算機(jī)CPU 主頻和總線帶寬是常用的主要手段,但由于處理算法的復(fù)雜性,當(dāng)目標(biāo)數(shù)量超過一定值后,處理時間與目標(biāo)批數(shù)之間呈非線性增長。因此,對大容量的信息處理,通常的計算機(jī)無法滿足此要求,需要并行計算機(jī)系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)處理和控制。

在提高信息系統(tǒng)可靠性方面,目前常見的方式是采用雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)。但與多機(jī)冗余結(jié)構(gòu)相比,因其冗余節(jié)點(diǎn)數(shù)少于后者而使其可靠性和系統(tǒng)重構(gòu)能力明顯不如后者,并且雙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)或者在計算資源方面制約著大規(guī)模超高性關(guān)鍵計算,或者在容錯方面不能實(shí)現(xiàn)全節(jié)點(diǎn)間的對等冗余。具有高性能、高可用、高伸縮和高性價比優(yōu)勢的集群計算機(jī)系統(tǒng)[9],可滿足信息處理需求,并現(xiàn)已逐步在系統(tǒng)信息處理中得到應(yīng)用。根據(jù)信息融合的處理需求,采用基于集群計算機(jī)建立了高可靠信息處理系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1) 外部網(wǎng)絡(luò)同時與系統(tǒng)的顯示節(jié)點(diǎn)連接。

2) 內(nèi)部實(shí)時網(wǎng)絡(luò)采用高速專用網(wǎng),提供集群節(jié)點(diǎn)間信息的高速交換。

3) 主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)外部數(shù)據(jù)收發(fā)、集群各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息收集、集群管理。

圖3 信息處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

4) 備節(jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)的熱備份節(jié)點(diǎn)。

5) 計算節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)信息處理。

6) 在每一個節(jié)點(diǎn)上,工作狀態(tài)分為四種：主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、備節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、計算節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和隔離節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)在運(yùn)行期間可以動態(tài)遷移,而非靜態(tài)固定不變。

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信和消息傳遞的內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建集群計算機(jī)的重要組成部分,一般情況下,集群結(jié)點(diǎn)可以按兩種方式實(shí)現(xiàn)連接：

(1)基于通用網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式

集群節(jié)點(diǎn)通常使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)聯(lián)結(jié),多數(shù)集群系統(tǒng)采用高性能的千兆以太網(wǎng),千兆以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單,能以較好的價格優(yōu)勢提供高的帶寬,數(shù)據(jù)傳輸可靠性好,可升級到10Gb/s的速度。缺點(diǎn)是通信延時較高,約幾十微秒。

(2)基于專用網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式

為克服通用網(wǎng)絡(luò)的時延問題,在一些專用或高性能集群系統(tǒng)中采用了專用網(wǎng)絡(luò)接口方式。包括Myrinet、Giganet的cLAN、SCI、實(shí)時廣播內(nèi)存網(wǎng)等。這些網(wǎng)絡(luò)不但在群集的節(jié)點(diǎn)之間提供高帶寬,而且還可獲得很低的延遲,10μs以下,且延遲是可預(yù)計和確定的。廣播內(nèi)存網(wǎng)具有實(shí)時性強(qiáng)、可靠性高、使用簡單的特點(diǎn)。

5 結(jié)語

在裝備信息化和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的軍事新動向的背景下,聲吶系統(tǒng)的集成化、一體化成為了一個新的課題與探索。本文對聲吶系統(tǒng)集成面臨的問題,以及如何利用當(dāng)前先進(jìn)的信息技術(shù)為數(shù)據(jù)的融合與處理搭建一個軟、硬件平臺進(jìn)行了初步的論述。

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版 權(quán) 聲 明

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《艦船電子工程》編輯部

Discussion on the Information Technology for Integrated Construction of Sonar System

MENG Shichao1FANG Yiwei2HU Bo2

(1. Military Representative Office of Navy Huludao 431 Factory, Huludao 125004)(2. 722nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corp, Wuhan 430079)

Network-centric warfare is a new form of combat in the twenty-first century. Information technology has become the core of China's new military reform, "Comprehensive integration" has become an important development direction of weapons and equipment information, For a long time, Different information can not be achieved between the sonar interoperability, the result is "information island". In this context, how to set up the bridge of information communication, achieve high integration and low-level data fusion has become on urgent problem for the integration process. From multi-sensor array synchronous data acquisition, sensor array to signal processor high-speed data transmission, signal processor cluster computing network architecture and so on, the problems existing in the process of sonar integration and the related key technologies are discussed. The feasible solutions are put forward and the development prospect of the sonar system integration is prospected.

informationization, data fusion, time synchronization, cluster computing

TN929.3

2016年9月11日,

2016年10月31日

孟士超,男,工程師,研究方向:電子信息系統(tǒng)。方毅偉,女,碩士,高級工程師,研究方向:艦艇通信系統(tǒng)總體設(shè)計。胡波,男,工程師,研究方向:艦艇通信系統(tǒng)總體設(shè)計。

TN929.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.004